（电力系统及其自动化专业论文）高速铁路综合接地系统参数计算及优化设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t r u c t i o no ft h eh i g h - s p e e dr a i l w a yl i n e si no u rc o u n t r y , t h e i r g r o u n d i n gs a f eo p e r a t i o nh a v eb e e no nt h ea g e n d a ，a n dm u s t b el u c u b r a t et om e e t t h ed e v e l o p m e n t c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lr a i l w a y , h i g l lr u n n i n gs p e e d ，h i g h r u n n i n gd e n s i t y , s t r o n gt r a c t i o nl o a dc u r r e n t ，s t r o n gs h o r tc u r r e n tl e a dt os t e e p r a i lp o t e n t i a lr i s e i fw ed o n tt a k ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sf o rt h eh i g hr a i l p o t e n t i a l ，i tm a yi m p e r i lh u m a na n dm a c h i n es a f e t ya n di n f l u e n c et h e t r a c k s i d e s i g n a le q u i p m e n tw o r kp r o p e r l y a i m i n gt oi n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e mo fh i g h s p e e dr a i l w a y , p a r a m e t e r s c a l c u l a t i o no fi n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e ma n di t so p t i m u md e s i g na r es t u d i e di n t h i sp a p e r t h ep a p e ri sb e g i nw i t hc o n s i d e r a t i o no fs o i lp r o b l e m si ng r o u n d i n g d e s i g n ，i n t r o d u c e dat w o 1 a y e rs o i l m o d e la n di t sc a l c u l a t i o nm e t h o da n da g r o u n d i n gr e s i s t a n c ec a l c u l a t i o nm o d e lo fu n e v e n s o i l g r o u n d i n gs y s t e m i s p r o p o s e d b o t ho ft h e mp r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ra n a l y z i n gp e r f o r m a n c e o fg r o u n d i n gg r i d si np o w e rc u r r e n t n e x ta n a l y z e dt h ep a r a m e t e r so fg r o u n d i n g s y s t e mo nt h ei n d u s t r yf r e q u e n c y , d i s c u s s e dt h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o no fg r o u n d i n g s y s t e m ，f a u l tc u r r e n to fg r o u n d i n gs y s t e m ，g r o u n d i n gs a f e t yr e q u i r e m e n t s i no r d e rt or e d u c et h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo fg r o u n d i n gs y s t e m ，m a d ea m e a s u r eo fc o m p o s i t eg r o u n d i n gg r i dw h i c hi sc o m p o s e dw i t hal o n gv e r t i c a l g r o u n d i n ge l e c t r o d ea n dl e v e lg r o u n d i n gg r i d ，a n dv a l i d a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o m p o s i t eg r o u n d i n gg r i d ；i no r d e rt om a k eu n i f o r md i s t r i b u t i o no ft h e s u r f a c ep o t e n t i a l ，u n e v e ns p a c el a y o u to fg r o u n d i n gg r i d i s p r o p o s e d ，a n d v a l i d a t ei t sp e r f o r m a n c c a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l l p a r a l l e la t p o w e rs u p p l ys y s t e m ，e f f e c t i v em e t h o d st or e d u c er a i lp o t e n t i a l a r ep r o p o s e d ，a i n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li sb u i l tw i t ht h er e a lp a r a m e t e r so f a 1 1 p a r a l l e la tp o w e rs u p p l ys y s t e mt r a c t i o nn e t w o r ka n dg r o u n d i n gs y s t e mb y m a t l a b s i m u l i n k ，w h i c hi sv a l i d a t e db ys i m u l a t i o n k e yw o rd s ：h i g l l - s p e e dr a i l w a y ；i n t e g r a t e dg r o u n d i n g ；g r o u n d i n gr e s i s t a n c e ； r a i lp o t e n t i a l ；s i m u l a t i o na n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：伍1 黏黔指导老师签名：l 妒 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文对于综合接地系统的电阻的优化设计引入了采用长垂直接地体与接 地网组成复合接地网的方法来降低接地电阻的方法，运用这种方法采用合理 的接地网面积和长垂直接地体搭配能有效的降低接地电阻、减少占地面积、 减少工程造价。 引入了一种牵引变电站接地网均压优化布置的方案，采用不等间距布置 接地网的方案，这种方法和传统的等间距布置相比，能很好降低接地电阻、 降低接地网边沿的电位、减少网孔之间的电位差、降低接触电压。 针对全并联a t 供电方式的特点引入了几种降低轨道电位措施的方案， 并运用m a t l a b s i m u l i n k ，根据实际全并联a t 供电牵引网的参数和接地系统的 参数建立了综合接地系统的仿真模型。最后在这个模型下，对各种接地措施 进行了仿真，仿真结果验证了各种措施对降低轨道电位的有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 高速铁路是社会经济发展的需要。自1 9 6 4 年，日本建成世界上第一条高速 铁路一东海道新干线，并以2 1 0 k m h 的速度投入商业运营以来，高速铁路就迅 速地展现出明显的技术经济优势，以崭新的态势开拓了客运市场。高速铁路具 有强大的生命力和吸引力，历经多次更新换代，技术上取得了新突破，不但给 传统铁路注入了新的活力，还带动了交通运输行业的革新。高速铁路的业绩深 受世人瞩日，法国及时发展了独具特色的t g v 高速列车技术。紧接日、法之后， 德国、意大利、西班牙等都相继修建了高速铁路。2 0 世纪9 0 年代中期，世界经 济繁华地区掀起了修建高速铁路的热潮，不仅西欧各国开始筹划联网，而且北 美、东欧、大洋洲及东亚的一些国家和我国的台湾省等也正积极推进高速铁路 项目。时至今日，全世界日、法、德、意、西班牙、比利时等国家建成投入运 营的高速铁路己逾5 0 0 0 k m ，正在建设及准备修建高速铁路的国家和地区有1 2 个，长度在5 0 0 0 k i n 以上。日本、法国的高速铁路至今未曾发生过一起旅客死 亡事故，其安全、快速、准点的业绩为全球所瞩目。 自改革开放以来，随着中国经济的高速增长，全国各地的经济联系也越来 越紧密，对我国的交通运输业提出了越来越高的要求。在交通运输行业中，从 单位运量的能源消耗、对环境资源的占有、对环境质量的保护、对自然环境的 适应及运营安全等方面考虑，轨道交通运输具有明显的优势。 当前，交通运输能力是制约我国国民经济发展的最主要。瓶颈 之一。而 高速铁路是解决这一矛盾的最佳选择。国外铁路发展证明，高速铁路具有速度 快、运能大、安全好、占地少、节省能源、利于环保和经济效益显著等一系列 优点，是世界铁路的共同发展趋势，因而引发了一场交通革命，并成为交通史 上的一个重要里程碑。我国修建高速铁路条件成熟，势在必行。为实现铁路的 “跨越式发展”战略，2 0 0 4 年初国家批准了中长期铁路网规划，近十几年内 将修建超过1 5 0 0 0 k i n 的高速铁路( 客运专线) ，相当于国外已通车运营的高速 铁路总长度，到2 0 2 0 年全国铁路营业里程将达到1 2 万k m ，其中规划了“四纵 四横 铁路快速客运通道以及3 个城际快速客运系统。可见，今后十几年时间， 我国的路网规模和路网质量都将上一个新的台阶。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 论文研究的背景和意义 高速铁路( 客运专线) 由于列车运行速度高和行车密度大，牵引负荷电流 和故障短路电流均较既有普速铁路显著增大，从而造成钢轨电位急剧增高。如 不采取相应的措施，将危及人身和设备安全，并影响轨旁信号设备的正常工作 【8 1 0 电气化区段内，通信、信号、电牵、电力等系统如仍采用分别接地方式， 虽然系统内设备间的电位差可以限制或消除，但不同系统间仍不可避免地存在 电位差，人身、设备的安全问题仍不能彻底解决。只有各系统、各设备采用共 用的综合接地系统，实现等电位连接，才能彻底消除安全隐患。所以必须重新 考虑接地系统的问题。 综合接地系统的研究包括两个重点：一是电气化回流接地对人员安全的影 响，二是系统内各设备的安全。因此，为适应我国客运专线的系统集成，尽早 进行回流接地技术规定的研究，尤其是在全面总结和归纳国际先进的接地技术 标准基础上，定义接地区域的安全设计概念，并明确修正轨道对地计算模型的 电气参数，结合理论计算模型研究提出适应我国安全规范和兼容信号、电气化 要求的接地体系，对防护结构钢筋、减少网损和保证与钢轨相近的信号设备可 靠工作，保障维修或旅客人身安全，有很大的必要性和紧迫性。 1 2 国内外研究动态 高速铁路牵引回流与接地技术在国外受到高度重视，对此的研究也比较成 熟，目前国外的文献基本上侧重于对系统安全性和接触电压，跨步电压的研究。 由于国外的铁路供电系统历史和发展的模式不同，在电源制式和频率方面表现 出了多样性和独特性。从国外高速铁路已运营和正在建设的情况看，列车运营 速度已达3 0 0 k j n h 以上：其中法国，德国和日本三个高速铁路发达国家代表了 当今世界各国轮轨高速电气化铁路发达国家的先进和适用模式【刀。 在日本高速电气化铁路中，牵引网的保护装置主要包括放电器( 避雷器) ， 接地线和接地极等，牵引网接地系统的主要目的包括防雷、防电击、防腐蚀、 减少电磁感应及静电感应和设置参考电位等，接地类型主要包括工作接地、器 具外壳接地、避雷针接地和避雷器接地等，为抑制高速电气化铁路区段的钢轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 电位，在部分车站设置了钢轨电位抑制装置，钢轨分散接地和上下行轨道间的 等电位连接。 在法国高速电气化铁路中，综合接地系统主要由钢轨、保护线、接地线、 扼流圈、各纵向导体间的等电位连接线和接地极等构成。钢轨作为牵引回流导 体和轨道电路的重要组成部分。它的接地次数不能像供电系统所希望的那样多， 因此需要连续且独立于轨道的综合接地线。它可按轨道电路允许的间隔连接到 轨道上。钢轨、保护线、接地线或金属栅栏等的等电位连接一般通过设置完全 横向连接来实现；为了保证断轨检查，在同一轨道电路或者几个不同的轨道电 路上，两个连续完全横向连接间的距离一般应不小于1 0 0 0 m 。 在德国高速电气化铁路中，综合接地系统主要由钢轨、回流线、接地带、 接触网支柱基础( 接地极) 、s 棒连接( m ) 、各纵向导体的等电位连接线和 接地端子等构成。在德国高速铁路的牵引供电系统中，每根接触网支柱基础都 设置了接地极，它通过单独的基础钢筋连接到接地端子上，支柱基础的接地电 阻一般不大于1 0 q ，它建立了牵引系统地并用于雷电防护。为了保证回流畅通、 接地效果和轨道电路的可靠运行，电气化铁路上的钢轨需进行纵向和横向的电 气连接，综合接地系统中导体的接地和连接只允许在接地带、接地轨或i b 中点 上实现。 国内高速铁路采用国外标准施工，针对高速铁路( 客运专线) 牵引负荷大 的特点，必须结合“以人为本 的时代要求，参照国际较高的安全接地标准和 要求，按照综合接地概念设计，对涉及人身安全的优化设计接地与回流接地典 型方案进行系统集成和定量评估。 1 3 本文的主要工作 现在正是我国铁路高速发展的时期，国内多条高速铁路( 客运专线) 已经 开始建设，京沪高速铁路于近期也开始动工建设。高速铁路综合接地系统作为 维护铁路安全运行的关键系统是高速铁路一个非常重要的部分，综合接地系统 是高速铁路安全、可靠运营的保障，因此研究综合接地系统十分必要，具有重 要的理论意义和实际价值。本论文把综合接地系统作为研究对象，根据其电气 特性，研究这种复杂系统的各种参数计算，以及在综合接地系统参数计算基础 上，对综合接地系统进行优化设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 本论文研究内容及主要的工作如下： 1 借助于电磁场理论，对等距w e n n e r 四电极法测得的视在电阻率进行了反演， 推导了适合计算机编程计算的两层土壤参数模型。 2 对双层土壤的接地网的接地电阻和基于双层土壤的垂直接地体和接地网组成 的复合接地系统的接地电阻的模型进行了推导，最后引入并推导了多根垂直 接地体接地电阻的改进计算公式，并对计算公式进行了验证。 3 对工频电流下综合接地系统参数进行推导和建模，结合铁路供电系统的特点对 接地系统的电压分布、故障电流计算、接触电压和跨步电压的计算模型进行 了推导。 4 对于综合接地系统的优化设计引入了采用长垂直接地体与接地网组成复合接 地网的方法来降低接地电阻，引入了一种牵引变电站接地网均压优化布置的 方案，并对这些方法进行了验证。 5 针对全并联a t 供电方式的特点引入了几种降低轨道电位措施的方案，并对全 并联a t 供电方式下综合接地系统建模，建立了与实际接地系统相同的仿真模 型。最后在这个模型下，对各种接地措施进行了仿真，验证了各种措施对降 低轨道电位的效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章土壤参数模型及参数计算 在进行接地系统和接地装置的设计之前，必须了解接地系统和接地装置所 处土壤的电阻率及大地结构，这样我们才能够根据电阻率及土壤结构的情况对 接地系统和接地装置接地电阻的要求正确进行设计，另外我们也可以根据电阻 率来计算接地系统的接地电阻、跨步电压和接触电压，因此确认土地模型和土 壤参数是综合接地系统设计和模拟计算的首要工作。 2 1 土壤电阻率的测量 电阻率为衡量物质导电性能的基本参数，它是物质的基本属性。土壤电阻 率为单位立方体物质相对两面间所呈现的电阻。 2 1 1 土壤电阻率的测量方法 土壤电阻率的测量方法通常有：土壤试样分析法、电测深法、电磁测深法【4 j 。 1 土壤试样分析的原理是通过钻探得到地下不同深度的土壤试样，在实验室 进行试样分析，得到随深度变化的电阻率分布情况。一般是用已知尺寸的土壤 试样相对两面间所测得的电阻值来推算试样的电阻率，这种测试方法会带来一 定的误差，因为该值包含了电极与土壤试样的接触电阻和电极电阻，这些都是 未知的。 对试样进行电阻率测量来得到土壤电阻率的分布情况是很困难的，并且在很多 情况下是不可能的，这主要是基于如下几方面的原因：一是通过地质钻探采取 土壤试样的费用比较高；二是即使采用钻探方法也难于得到代表性的、均匀的 土壤试样；三是在实验室中模拟原有土壤的紧密性和水分含量比较困难。 2 电测深方法的基本原理是对被测量区域和电流极间施加电流，根据电流在 电位极上产生的电位来确定电阻率。电测探方法根据插入地中的电极数可分为 两极法、三极法和四极法。 ( 1 ) 两极法的原理如图2 1 所示，在被测区域插入电流极a 和b ，在a 和 b 之间施加电流，电源一般采用电池。将电流表串入电流回路测量流过的电流i ， 将电极b 的电位看作零电位，电压则为电池电压的额定值e 。可以粗略的估计 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 测量得到接地电阻r = e b 。如果电流极采用标准的半球电极，电极的半径为r ， 则由半球接地极的接地电阻计算公式可以得到被测区域的电阻率p 为： p = 2 f f r r ( 2 - 1 ) 图2 1 两极法测电阻率的原理图 ( 2 ) 如图2 2 所示为三极法测量示意图，三极法的原理是测量埋入地中的 标准接地极的接地电阻，然后利用接地电阻的计算公式反推出土壤电阻率。 e 图2 2 三电极法测量土壤电阻率的原理图 三极法测量时需要多次测量接地电阻，每次测量时，被试电极的埋地深度 需加深一给定量，其目的是迫使更多的试验电流流过深层土壤。所测的电阻值 将反映深度增加时电阻率的变化。由测量得到的电阻r 为电压的测量值u 与电 流测量值i 的比值，即垂直接地极的接地电阻为r = w 。因此根据垂直接地极 接地电阻的计算公式可以得到被测区域的视在土壤电阻率为： ， 一d p 。= 筹 ( 2 2 ) 。i n 兰一1 d 式中l 为垂直接地电极地中的长度，d 为垂直接地极的直径，d 0 时比k p ：时，参数p = 乡么；当n p ：时，参数p = ( h - h ) f j 。 如果垂直接地体穿透上层进入下层，则接地电阻应采用下式计算： 肛矗悖- 1 ) + 等c 石- - - ，2 式中 l l l 2 + l l 1 ( 3 - 3 6 ) 成鸭 ( 3 - 3 7 ) 式中厶和：分别为垂直接地体在上层土壤中和下层土壤中的厚度，l i + 工：= l r ；k ( o ) 为j i i ，o 时面积为a 的水平地网的校正系数墨；群为水平接地体位 于下层土壤时土壤不均匀校正系数，它是参数p2 乡石及反射系数k 的函数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 3 4 3 改进的多根垂直接地极的接地电阻的计算公式 式( 3 3 4 ) 和( 3 3 5 ) 计算多根垂直接地极的接地电阻r ：时，系数墨和k p 需要借助于曲线图做辅助计算，使用上有所不便，故提出改进的简便计算公式。 改进公式的推导是基于两个基本数学模型：一个是双层土壤单根垂直接地 极接地电阻的数学模型；另一个是均匀土壤中任意布置的n 根垂直接地极接地 电阻的数学模型。 双层土壤单根垂直接地极接地电阻采用下式计掣1 9 1 ： 凡一皇( h 娶a - l + x h 五1 ) ( 3 - 3 8 ) 式中p o 为土壤的视在电阻率；1 为单根垂直接地体的平均长度：d 为垂直接地体 的直径或等效直径；x 为比值系数，扣 【f 1 i i h f 姜篇，j 1 为接地体在上层土 壤的长度，l ：为接地体在下层土壤的长度。 均匀土壤中任意布置的n 根垂直接地极的接地电阻采用下式计算【1 6 1 ： 凡。篮+ 堕( 石一1 ) ： ( 3 3 9 ) 其中 氏- 寺( 1 n 詈1 ) ( 3 - 4 0 ) r 一0 2 1 3 ( 1 + b ) a l p 。4 s ( 3 - 4 1 ) 式中墨。为均匀土壤中单根垂直接地极的接地电阻，q ；p 为均匀土壤电阻率， q 坍；r 为面积为s 的薄板接地电阻，q ；口。为面积s 的形状系数， 口。- ( 3 l n 嘉一。2 ) 鱼l o ；工。为面积s 的周边长度，m ；七为土壤的反射系数；b 为与s 和h 有关的系数，b 一l 下；h 为垂直接地极顶端的埋深，m 。 1 + 4 6 ( | l s ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 分析( 3 3 9 ) 可知：均匀土壤条件下n 根垂直接地极的接地电阻由两部分 组成：第一部分为单根垂直接地极的接地电阻尺，。除以垂直接地极的总根数n 即 蜀o 刀；第二部分为f l 根垂直接地极之间的互阻。因此可以把( 3 - 3 9 ) 改写 成下列形式： 凡。坠+ ( 3 4 2 ) 其中 4 屯= 堕而一1 ) z ( 3 - 4 3 ) 基于接地的物理概念，类似( 3 - 4 2 ) 。双层土壤中n 根垂直接地极的接地电 阻尼也可以写成下列形式： r 2 鱼+ r 2 j _ 式中r o 为双层土壤中单根垂直接地极的接地电阻； 接地极之间的互阻。 我们令r 抽- k ，屯，把式( 3 - 4 3 ) 带入，有 r 2 mk ，堕( 石一1 ) ： r 抽为双层土壤中n 根垂直 ( 3 4 5 ) 式中k 为待定系数，它与双层土壤的特性有关。k 应满足下列基本特性： ( 1 ) k = 0 ( p 。= p ：) 时即均匀土壤情况时有k = 1 ，这时r ：。= 屯； ( 2 ) k p 2 ) 时，f l a f t 层= l = 壤电阻率降低，墨 r i m ； 从以上定性分析可知，群与土壤不均匀系数k 有关。因此取待定系数墨= ， ) 即 k , - l + l n l 席 ( 3 4 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 当七= 一0 9 0 9 时，由式( 3 - 4 6 ) 计算的k 量值列入表3 - 2 ，式( 3 - 4 5 ) 满足上 述k ，定性分析的条件。虽然式( 3 4 5 ) 满足定性条件，但定量上未必能满足要求， 为此令： 蚝。1 + r i n 击 o 4 7 ) 1 式中叩为修正系数。 表3 - 2k ，和k 计算值 k0 90 5o 11o 1o 50 9 k r 0 3 5 80 5 9 50 9 0 511 1 0 51 6 9 3 3 3 0 3 k b 0 5 1 90 。6 9 60 9 2 911 1 0 51 6 9 33 3 0 3 用代换式( 3 - 4 5 ) 的k ，再带入式( 3 - 4 4 ) 可得： r：-鱼+生(石一1)2(1+rlnl_-妥)nn1 ( 3 - 4 8 ) 根据计算机数值计算的r 值，用试探法模拟r 值，得出优化值为：当七c0 时，r 一0 7 5 ，当七 0 时，r 一1 。 3 4 4 由垂直接地体和接地网组成的复合接地系统的接地电阻 当水半地网位于上层土壤甲町，水平袋地嗍酮琰地电阻日j 以米用卜瓦迓仃 计算： 。 墨一丢p i n ( 争+ 一1 ) + 巧k 【击一警】 c 3 鹕， 式中n 为几何参数，与地网面的长宽之比有关系。k 是面积为a 、埋深为h 的 水平接地网的土壤不均匀校正系数。当p l p ：时， v 以 参数p = ( 日一 沙l 。上式的假设条件是水平地网与所有垂直接地体有相同的 v 月 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 面积，垂直接地体的上端与水平地网在l 司一平面上。 水平接地网和垂直接地体2 _ n 的互电阻为： r ：。老( n 鲁+ ) + i p 2 球。) 缶一警】 。， 。一l 1 + l 2 p 1 形p 2 ( 3 - 5 1 ) 双层土壤中由垂直接地体和水平接地n 组成的复合接地系统的接地电阻： r 。墨! 垒二整 ( 3 5 2 ) 3 5 计算实例 由垂直接地体和接地网组成的复合接地系统其参数为：水平接地网面积为 2 0 x 2 0 m 2 ，由2 2 = 4 网孔组成，垂直接地布置为3 x 3 = 9 根垂直接地体，如 图3 8 所示。垂直接地体平均长度z - 1 0 m ，垂直接地体根数n 一9 ，垂直接地体 等效直径d 。0 0 2 m ，上层土壤厚度h 一5 历，接地网埋深h 一0 8 m ，上层土壤电 阻率p l - 1 0 0 q m ，下层土壤电阻率p 2 5 0 q m 。 9 9 一q 令一令一婶 ii li b 一一 _ b 图3 8 垂直接地体布置图 由于上层土壤的厚度与接地网的尺寸相比较小，且p 。苫p ：，故采用l a u r e n t 推荐公式( 3 3 1 ) 来计算埋在上层的水平接电网的接地电阻： 耻鲁居+ i p l = 詈压+ 器8 q 视在电阻率采用式( 2 3 1 ) 来计算： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 一n p 南也南 1 2 1 垒一一善l ：6 6 6 7 q 朋2 a 4 口2 + 拍? 口2 + 砰i 水平接地网和垂直接地体之间的互阻采用式( 3 - 4 9 ) 来计算： 。老( h 警+ ) + i p 2k 陆一警】：。沈1 瓣明 式中，当长宽比为1 - 1 的时候查表n = 0 8 7 。 采用n a h m a n 公式计算垂直接地体的电阻，由于垂直接地体穿透上层进入 下层，故采用式( 3 3 5 ) 来计算： 肛彘( - n 百8 l r 1 ) + 等际- 1 ) 2 一q 故复合接地系统电阻采用式( 3 5 1 ) 计算为： 尺墨! 垦二整= 1 5 5 6 6 q 墨+ 如一瓯2 采用改进后的公式( 3 4 7 ) 来计算： r ：。鱼+ 墨( 石一1 ) z 0 + 仙万1 ) = 4 4 l q 式中由于k p 2 0 鬈：+ 岛= 三 o ，故，7 取1 。 复合接地系统接地电阻为： 贝，墨! 墨2 = 墨矗= 1 6 3 8 q 墨+ 尺2 一巩2 从上面的计算可以看出采用n a h m a n 公式计算得到的复合接地系统的接地 电阻与采用改进后的计算公式计算的结果最后的误差为5 2 2 1 0 ，在工程计 算允许的范围之内，而采用改进公式进行计算不需要查辅助曲线图，更简便。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 3 6 小结 本章对节点电阻的测量方法进行了系统的介绍，并对双层土壤的接地网的 接地电阻和基于双层土壤的垂直接地体和接地网组成的复合接地系统的接地电 阻的模型就行了推导，最后引入并推导了多根垂直接地体接地电阻的改进计算 公式，从后面的计算实例也可以看出，这种方法是实际可行的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 第4 章工频电流下接地系统参数计算 4 1 大地回路中的电流分布的模型 4 1 1 牵引接地回流 在交流电气化铁路牵引网中，牵引电流沿接触网送给电力机车，然后经轨 道和大地流回牵引变电所。因此，在大地中产生地中电流( 图4 - 1 ) ，换句话说， 地中电流产生的原因就是由于轨道和大地作为牵引电流回路的组成部分【副。 变电所l - 图4 1 电气化铁路回流示意图 电流i 的一部分i ，经过轨道流入大地，另一部分l ：沿轨道流回牵引变电所。 沿轨道流回的电流沿途又相继流入大地，之后又相继由地中流上轨道。所以， 沿轨道的电流先是多，后是少，最后是多；地中电流先是少，后是多，最后是 少。地中电流的另一个特点，是接近轨道的地中电流密度大，远离轨道的地中 电流密度小。 另外，在实际工程中，牵引变电所主变压器牵引侧的接地端子，通常分两 条支路向外连接，一条之路与轨道焊接，另外一条支路与牵引变电所接地网焊 接。这就造成地中电流分布的又一个特点在牵引变电所附近发生畸变。大 量的地中电流不是返回轨道沿轨道流回牵引变电所主变压器，而是趋向接地网 经由接地网流回牵引变电所主变压器。 现在高速铁路常用的供电方式一般是带回流线的直供方式和a t 供电方式， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 在不同的供电方式下，牵引电流回流沿钢轨的分布情况是不相同的，回流流经 的通路也有所差别。但是抛开接触网，我们发现，无论哪一种供电方式，地面 的钢轨大地段都是牵引回流的必由之路，无论是通过回流线还是正馈线，都先 经过一段钢轨大地通路。 4 1 2 基本的电流分布模型 图4 - 2 所示为电流在均匀土壤大地中的电流分布剖面图。由图可知，大地 表层的电流密度较深层的要大很多。 图4 _ 2 均匀大地中电流分布剖面图 若采用图”所示的坐标系统，可以写出通过两电极连线平分面上任一点p 在和地表平行的x 方向的电流密度为： 1 2 云南s 以_ 砉南 1 ， 一 d 一 。l 一d i 厂 2 7 7i 7 、 ：j 必甜。 潦 歹 y 图4 7 点m 的坐标变换示意图( 顶视图) 对于各导体分段在点膨产生的电位v 可以根据叠加原理得到： n 肿